王 暉，任文韜，趙星濤

(1.廣西交通設(shè)計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.北京遠鵬網(wǎng)天信息技術(shù)有限公司，北京 100085)

0 引言

信息化水平是衡量一個地區(qū)現(xiàn)代化程度和經(jīng)濟成長能力的重要標志?？臻g信息作為信息化的重要組成部分，對國家和地區(qū)的發(fā)展具有舉足輕重的作用[1]。城市空間信息化水平?jīng)Q定了國家和地區(qū)信息化的程度。對于廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)來說，不可再生的沿海岸線資源是廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)的核心競爭優(yōu)勢。為了科學(xué)、合理、高效地利用沿海岸線資源，將港口現(xiàn)狀、規(guī)劃等數(shù)據(jù)進行數(shù)字化、可視化管理，建設(shè)一套港口岸線數(shù)字化管理平臺成為港口行政管理部門迫切的需求[2]。隨著三維地理信息技術(shù)(GIS)、傾斜攝影和無人機技術(shù)的發(fā)展，使建立這套港口岸線管理系統(tǒng)成為可能。

1 建設(shè)目標

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)是一個基于B/S架構(gòu)的港口岸線管理平臺，涉及港口資源管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計查詢和岸線規(guī)劃審批等功能，支持并發(fā)訪問，實現(xiàn)了港口規(guī)劃可視化、港口資源數(shù)字化、港口業(yè)務(wù)無紙化的“規(guī)劃一張圖”管理。具體來說，系統(tǒng)主要研究內(nèi)容如下：

(1)基于服務(wù)的架構(gòu)搭建

研究搭建基于服務(wù)的架構(gòu)的方法。通過標準化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和部分非標準化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，為用戶提供岸線規(guī)劃數(shù)據(jù)服務(wù)、傾斜模型服務(wù)以及岸線審批服務(wù)等。

(2)實景三維展示

通過無人機獲取現(xiàn)狀港口的影像，利用傾斜攝影技術(shù)建立了北部灣港現(xiàn)狀港口的實景三維模型，使用戶能夠通過瀏覽器查看到港口及周邊建筑、碼頭等資源的分布情況，可實現(xiàn)快速定位和查詢，同時匹配顯示對應(yīng)的港口屬性數(shù)據(jù)，使港口各類資源的分布現(xiàn)狀及周邊情況在三維場景中直觀可見，實現(xiàn)對港口資源的可視化管理。

(3)港口可視化規(guī)劃

研究基于三維可視化場景，通過有機整合港口規(guī)劃數(shù)據(jù)和港口現(xiàn)狀數(shù)據(jù)等，通過矢量化的方式開發(fā)了港口資源管理、業(yè)務(wù)統(tǒng)計分析、岸線審批等功能，實現(xiàn)了港口岸線的數(shù)字化管理，從而提升港口業(yè)務(wù)管理水平。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 建設(shè)思路

圖1 建設(shè)思路圖

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)建設(shè)思路如圖1所示。系統(tǒng)以3S(GIS-地理信息系統(tǒng)、GPS-全球定位系統(tǒng)、RS-遙感)技術(shù)為基礎(chǔ)，以國家空間基礎(chǔ)設(shè)施為框架，集成沿海港口的現(xiàn)狀資料(港口地形圖和高分辨率衛(wèi)星影像圖)，以港口設(shè)施資源(建筑物、設(shè)備、構(gòu)造物等實景三維模型)和規(guī)劃數(shù)據(jù)(作業(yè)區(qū)規(guī)劃、港區(qū)規(guī)劃、用地規(guī)劃等CAD和設(shè)計三維模型)為依托，充分融合岸線審批等業(yè)務(wù)流程，建立一個能快速提供真實準確的空間信息資源，并能進行綜合分析和輔助設(shè)計等操作的產(chǎn)品，實現(xiàn)廣西北部灣沿海地區(qū)海岸線資源和港口規(guī)劃的數(shù)字化、可視化及動態(tài)顯示，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)劃現(xiàn)狀對比、港口資源查詢、業(yè)務(wù)統(tǒng)計等功能。

2.2 總體架構(gòu)

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)整個應(yīng)用體系由以下幾層結(jié)構(gòu)組成：

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要是對港口相關(guān)的各類數(shù)據(jù)進行采集，包括三維實景數(shù)據(jù)采集、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)采集和相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采集等。

(2)數(shù)據(jù)存儲層

通過數(shù)據(jù)采集層獲取的各類數(shù)據(jù)在存儲層根據(jù)類型進行分類存儲：矢量數(shù)據(jù)和柵格數(shù)據(jù)通過空間數(shù)據(jù)引擎存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫；三維實景數(shù)據(jù)通過SQLite數(shù)據(jù)庫以文件方式進行存儲；通過影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)構(gòu)建的三維場景數(shù)據(jù)以文件方式進行存儲；其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫方式進行存儲。

在該層主要是對系統(tǒng)所需和所擁有的各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的存儲和管理，通過建立不同層次的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，以應(yīng)對不同層次的數(shù)據(jù)需求和系統(tǒng)需求。

(3)應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層主要包括三維GIS平臺和應(yīng)用中間件，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)中部分服務(wù)為OGC標準，部分為私有標準服務(wù)，但所有數(shù)據(jù)類型均可以O(shè)GC標準服務(wù)方式訪問。應(yīng)用支撐層是實現(xiàn)和豐富各類業(yè)務(wù)應(yīng)用功能的基礎(chǔ)，同時也是連接數(shù)據(jù)與上層業(yè)務(wù)應(yīng)用功能之間的紐帶。

(4)應(yīng)用功能層

應(yīng)用功能層通過數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)傳遞到各類用戶，實現(xiàn)具體應(yīng)用，包括岸線規(guī)劃審批、港口模型瀏覽、港口附屬設(shè)施信息查詢等，為港岸線管理提供支撐。

2.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖3所示，主要包括業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及GIS/CAD數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)通過空間匯聚、格式轉(zhuǎn)換、投影轉(zhuǎn)換等步驟，完成數(shù)據(jù)治理，進入數(shù)據(jù)庫，進行分類管理。所有數(shù)據(jù)均以統(tǒng)一空間基準為依據(jù)，以三維模型為載體，實現(xiàn)各種二、三維數(shù)據(jù)的“一張圖管理”。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

(1)數(shù)據(jù)匯聚

匯聚港口全域時空大數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)時空數(shù)據(jù)、港口規(guī)劃數(shù)據(jù)、岸線審批數(shù)據(jù)，構(gòu)成各個港域的規(guī)劃、現(xiàn)狀融合一體的開放的全域時空大數(shù)據(jù)資源。

(2)統(tǒng)一時空基準

本系統(tǒng)時空信息數(shù)據(jù)采用以下基準：

平面基準：國家2000大地坐標系。

高程基準：1985國家高程基準。

時間基準：采用公歷紀元，以北京時間為基準。

為了保障數(shù)據(jù)標準的一致性，根據(jù)建設(shè)單位提供的坐標轉(zhuǎn)換參數(shù)、工具、資料和服務(wù)對本項目的時空數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，并提供對數(shù)據(jù)的編輯與處理[3]。主要包括：支持坐標及投影變換、高程換算、數(shù)據(jù)裁切、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換以及影像數(shù)據(jù)的對比度、灰度(色彩)、飽和度一致性調(diào)整等；支持對二維矢量數(shù)據(jù)的圖形編輯；支持對三維模型進行數(shù)據(jù)模型替換、模型空間位置修改、屬性編輯、元數(shù)據(jù)編輯等。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 港口實景還原技術(shù)

傾斜航空攝影技術(shù)是國際測繪領(lǐng)域近年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，其顛覆了以往正射影像只能從垂直角度拍攝的局限，通過在同一飛行平臺上搭載多臺傳感器，同時從垂直、前方、后方、左側(cè)、右側(cè)五個不同的角度采集影像，將用戶引入了符合人眼視覺的真實直觀世界[4]。該技術(shù)具有建模速度快、模型表達真實(尤其是側(cè)面紋理和鏤空紋理)、建模效率高、全要素表達地物等優(yōu)點。本系統(tǒng)通過使用無人機搭載總像素達一億的五鏡頭傾斜相機作為傾斜攝影的解決方案，對北部灣港的港口范圍進行空中航拍，獲取高分辨率、多視角航空影像。外業(yè)航拍獲取到多角度、高分辨率影像之后，采用實景三維建模軟件，進行實景三維建模，實現(xiàn)對港區(qū)構(gòu)筑物、植被等進行全要素、真實、準確還原。所建模型具有真實紋理并能夠全要素真實反映建筑物、道路、植被等地物要素的精細結(jié)構(gòu)和空間布局。與仿真三維模型不同，實景三維建模所制作的場景能完全彌補前者的不足，能真實、完整、準確地把港口的原貌原樣呈現(xiàn)出來，實景真三維數(shù)據(jù)能夠以極高的效率還原港口地理風貌和當前的生產(chǎn)建設(shè)情況。

2.4.2 多源數(shù)據(jù)融合及網(wǎng)絡(luò)發(fā)布共享技術(shù)

系統(tǒng)中包含海量多源、多尺度空間數(shù)據(jù)，主要類型有傾斜攝影數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)等。如何將這些類型復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大的空間信息進行融合并在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)接脩舳耸且粋€非常重要且必須解決的問題。

本系統(tǒng)通過空間治理，統(tǒng)一空間基準，整合空間地理數(shù)據(jù)和港口的規(guī)劃、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)空間地理信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合、查詢，展現(xiàn)互聯(lián)互通，形成港岸線管理“一張圖”。結(jié)合港口社會經(jīng)濟屬性，形成涵蓋二維、三維一體化的全息、高清、高精的港口數(shù)字空間，從較為單一的GIS數(shù)據(jù)升級為融合多源、異構(gòu)、多時態(tài)空間數(shù)據(jù)，以滿足應(yīng)用和分析的需求，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)無縫融合、時空數(shù)據(jù)庫建立和空間數(shù)據(jù)快速更新。

由于一般的三維地形數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)非常龐大，國內(nèi)很多系統(tǒng)都沒有解決地形網(wǎng)絡(luò)發(fā)布的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。本系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，可以實時地以流模式(Streaming)的形式發(fā)布三維地形模型數(shù)據(jù)。在客戶端發(fā)送請求后，服務(wù)器端可以根據(jù)請求坐標范圍向客戶端以流模式發(fā)送三維數(shù)據(jù)，而用戶能夠通過可變帶寬來無縫接入三維數(shù)據(jù)。只要最初的三維數(shù)據(jù)以低分辨率的形式被接收到，用戶就不必等待全部三維數(shù)據(jù)加載完成即可以接入系統(tǒng)，且不會受到網(wǎng)絡(luò)連接的反應(yīng)時間或中斷的影響。這項技術(shù)能夠以一種更平滑和令用戶更滿意的方式來無縫顯示三維數(shù)字化的場景。同時，服務(wù)器可以將三維數(shù)據(jù)發(fā)布為OGC標準服務(wù)，供其他系統(tǒng)和用戶無縫調(diào)用。

3 系統(tǒng)功能

廣西北部灣港GIS岸線管理系統(tǒng)功能共分為四個模塊，分別是三維瀏覽、港口資源、業(yè)務(wù)查詢統(tǒng)計、岸線審批等。

3.1 總體展示

用戶登錄系統(tǒng)后，等待系統(tǒng)加載地圖數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)全部加載完成后即可看到如圖4所示的三維地圖界面。三維瀏覽功能包括放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、測量等三維平臺基礎(chǔ)功能。

圖4 三維瀏覽界面示例圖

3.2 港口資源

港口資源模塊可以展示各個港口作業(yè)區(qū)的資源情況，包括現(xiàn)狀展示、規(guī)劃展示和對比展示。首先要選擇查看其資源的港區(qū)或者作業(yè)區(qū)，可以查看港區(qū)或者作業(yè)區(qū)的現(xiàn)狀情況或者規(guī)劃情況，也可進行現(xiàn)狀情況和規(guī)劃情況的同屏對比，更加直觀地了解該港區(qū)或者作業(yè)區(qū)的資源情況。

3.3 業(yè)務(wù)查詢統(tǒng)計

業(yè)務(wù)查詢包括岸線查詢、港區(qū)查詢、作業(yè)區(qū)查詢、錨地查詢、泊位查詢、航道查詢、輔助區(qū)查詢和高級查詢等。根據(jù)用戶輸入的信息(岸線信息、泊位信息、作業(yè)區(qū)信息、輔助區(qū)、錨地、航道等)，在系統(tǒng)中會彈出關(guān)于所查詢內(nèi)容相關(guān)的一系列信息，用戶選擇好自己要查詢的信息后，點擊此信息，三維場景會自動跳轉(zhuǎn)到該查詢對象上，實現(xiàn)定位查詢。

其中，吞吐量統(tǒng)計功能可將歷年的港口資源數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并生成餅狀圖進行展示，統(tǒng)計結(jié)果可以采用Excel等格式輸入，并支持將結(jié)果導(dǎo)出，方便保存和打印。

3.4 岸線審批

岸線審批功能將傳統(tǒng)的線下岸線審批流程進行三維可視化管理，新申請的港口建設(shè)項目首先要通過系統(tǒng)進行岸線坐標檢測，當用戶輸入岸線坐標信息后，系統(tǒng)可以自動跳轉(zhuǎn)到對應(yīng)的地理位置，并判斷是否符合港口規(guī)劃以及是否被占用。如岸線檢測通過，即可匹配到相應(yīng)的規(guī)劃泊位。匹配以后，就可以按照岸線審批流程進行初次上報。此模塊包含了四個功能：申請檢測、新建審批、流程管理、數(shù)據(jù)維護。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)基于三維GIS和傾斜攝影等技術(shù)，對港口現(xiàn)狀和規(guī)劃場景進行了真實的高精度還原，并集成了港口管理的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)和岸線審批數(shù)據(jù)，同時可根據(jù)不同的條件進行查詢、統(tǒng)計和展示，實現(xiàn)了港口規(guī)劃可視化、港口資源數(shù)字化、港口業(yè)務(wù)無紙化的“規(guī)劃一張圖”管理，為港口行政管理部門提供決策依據(jù)，也為建設(shè)智慧北部灣港奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。